输入输出系统（I/O系统）

本课目标

理解I/O系统基本作用；掌握I/O接口功能；区分程序查询、中断、DMA三种I/O控制方式；了解通道与I/O设备基本概念，明白CPU如何和外设交互数据。

7.1 I/O系统概述

I/O（Input/Output）输入输出系统：主机与外部设备之间的数据交互子系统。
计算机依靠I/O设备完成接收外部信息、向外输出处理结果。
外设种类繁多：键盘、显示器、鼠标、硬盘、网卡、打印机等。
外设和CPU之间在速度、信号类型、数据格式上差异巨大，不能直接相连，需要 I/O接口（I/O Interface） 做转换。

7.2 I/O接口的功能

I/O接口是外设与主机之间的桥梁，核心能力：

数据缓冲：解决CPU高速与外设低速的速度不匹配，设置缓冲寄存器，避免数据丢失；
信号转换：电平、串行/并行数据格式转换；
状态上报：保存外设工作状态（就绪/忙/故障），供CPU读取；
接收控制命令：接收CPU下发的读写指令，控制外设动作；
地址译码：识别端口地址，区分不同外设寄存器。

I/O编址两种方式：

统一编址 Memory-mapped I/O：I/O端口和内存单元共用地址空间，使用访存指令访问；

独立编址 Isolated I/O：I/O拥有独立地址空间，需要专门的IN/OUT输入输出指令。

7.3 I/O控制方式（重点）

1. 程序查询方式 Program Polling

CPU主动循环读取外设状态，不断查询设备是否就绪，就绪后传输数据。

优点：硬件简单，容易实现；
缺点：CPU大量时间浪费在循环等待，CPU利用率极低。

2. 程序中断方式 Program Interrupt

外设准备完成后，主动向CPU发送中断信号。CPU平时可以执行其他任务，收到中断请求后，暂停当前程序，进入中断服务程序完成数据传输，结束后返回原程序。

优点：CPU不用轮询，CPU利用率大幅提升；
缺点：每次传输都需要中断保护现场、恢复现场，少量数据传输尚可，大批量数据开销大。

3. DMA 直接存储器访问 Direct Memory Access

DMA控制器接管总线，不需要CPU干预，直接在外设与主存之间批量传输数据。传输完成后，DMA向CPU发送一次中断通知。

优点：大批量数据传输速度快，极大减轻CPU负担；
缺点：需要额外DMA硬件，硬件成本更高。

4. 通道方式 Channel

大型机/服务器使用。通道是独立的专用处理器，专门负责I/O控制，自主管理多个外设和主存之间的数据传输，CPU只需要启动通道。

7.4 DMA工作流程

CPU预先给DMA控制器设置参数：主存起始地址、传输数据长度、读写方向；
DMA控制器向总线发送请求，抢占总线；
DMA直接控制外设与主存传输数据，CPU并行执行其他任务；
全部数据传输完毕，DMA向CPU发送中断；
CPU处理中断，做传输收尾工作。

DMA仅在数据块传输开始、结束时需要CPU介入，传输过程CPU不参与数据搬运。

7.5 中断屏蔽与中断优先级

系统中可能同时有多个中断源请求。

中断优先级 Interrupt Priority：预先定义中断的先后顺序，优先级高的中断优先响应；
中断屏蔽 Interrupt Mask：通过屏蔽字，可以临时屏蔽某些中断，禁止其打断当前程序；
中断嵌套：CPU正在处理中断时，可以响应优先级更高的中断请求。

本课小结

I/O接口隔离主机与外设，解决速度、信号不匹配问题。I/O编址分为统一编址和独立编址。四种I/O控制方式：程序查询最简单但效率低；中断适合少量数据；DMA适合大批量高速数据传输；通道多用于大型计算机。中断优先级和屏蔽机制用来管理多个中断源。

思考练习

I/O接口有哪些主要功能？
简述统一编址与独立编址的区别。
程序查询、中断、DMA三种I/O方式的优缺点对比。
DMA传输数据时，CPU是否参与数据的搬运过程？